淺析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中典型的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理

劉奇

摘 要：數(shù)據(jù)采集技術(shù)已廣泛應(yīng)用在雷達(dá)、導(dǎo)彈、通信、聲吶、資源遙感、圖像、地質(zhì)勘探、振動(dòng)工程、無(wú)損檢測(cè)、智能儀器、多媒體、激光多普勒測(cè)速、光時(shí)域反射測(cè)量、物質(zhì)光譜學(xué)與光譜測(cè)量、生物醫(yī)學(xué)工程等多個(gè)領(lǐng)域，隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的許多技術(shù)指標(biāo)，如采樣率、A/D轉(zhuǎn)換器件速度、A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率精度、抗干擾能力等方面提出了越來(lái)越高的要求。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集 A/D轉(zhuǎn)換器 技術(shù)指標(biāo)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）01（c）-0013-02

數(shù)據(jù)采集就是將被測(cè)對(duì)象（外界、現(xiàn)場(chǎng)）的各種參量（通常是物理量，也可以是化學(xué)量、生物量等），通過(guò)各種傳感元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E，最后送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或存儲(chǔ)記錄的過(guò)程。

1 幾種典型的ADC

ADC種類(lèi)很多，原理各不相同。該文介紹以下幾種ADC主要類(lèi)型的原理和特點(diǎn)，以便更好地學(xué)習(xí)ADC技術(shù)。

1.1 并行比較型ADC

利用VREF和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)造出全量程范圍內(nèi)的所有量化比較電平，輸入模擬信號(hào)ui，與各個(gè)量化比較電平同時(shí)進(jìn)行比較，若ui大于或小于量化比較電平，則比較器輸出1或0，比較器輸出經(jīng)編碼后形成數(shù)字信號(hào)。

電阻網(wǎng)絡(luò)將VREF（滿量程電壓）分壓形成1/14 VREF、 3/14 VREF、5/14 VREF…13/14 VREF（如圖1）。

若：0≤ui<1/14 VREF，比較器輸出全為0，CP到來(lái)后，7個(gè)觸發(fā)器都置0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼d2d1d0=000。依次類(lèi)推，可以列出ui為不同等級(jí)時(shí)，D觸發(fā)器的狀態(tài)以及相應(yīng)的輸出二進(jìn)制數(shù)。

特點(diǎn)：（1）直接比較、瞬時(shí)值轉(zhuǎn)換和開(kāi)環(huán)電路，轉(zhuǎn)換速度最快，故稱(chēng)為閃速型（Flash）ADC，但其抗干擾能力差。（2）雖然看上去電路簡(jiǎn)單直觀，但是nbit分辨率的ADC一般需要2n-1個(gè)比較器。由于比較器是模擬器件，提高分辨率受到器件制造工藝的限制，10 bit的閃速ADC少見(jiàn)。

1.2 雙斜（率）積分型ADC

對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)行積分，再對(duì)與之反相的參考電壓進(jìn)行積分。將電壓先轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間間隔，再用計(jì)數(shù)器測(cè)量時(shí)間間隔，間接得到轉(zhuǎn)換結(jié)果（如圖2）。

（1）開(kāi)關(guān)S2閉合，對(duì)積分電容C進(jìn)行清洗；同時(shí)計(jì)數(shù)器復(fù)位，ADC輸出上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

（2）開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，S1接ui，積分器對(duì)ui積分，積分時(shí)長(zhǎng)固定為T(mén)。

（3）開(kāi)關(guān)S1接VREF，積分器對(duì)VREF反相積分；計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)積分器的輸出過(guò)零點(diǎn)時(shí)，比較器輸出改變，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。此時(shí)計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值N就是在（2）期間輸入ui的平均值ui對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

特點(diǎn)：（1）積分器對(duì)伴隨著工頻干擾的輸入信號(hào)進(jìn)行積分，積分周期為工頻干擾周期的整數(shù)倍，對(duì)于正弦函數(shù)型的工頻干擾，其積分結(jié)果為0，其對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果沒(méi)有任何影響。正是由于上述特點(diǎn)，雙斜積分型ADC具有較高的抗干擾性能，尤其是具有極高的抗工頻干擾能力。（2）積分時(shí)長(zhǎng)T，再加上工作原理步驟（1）和步驟（3）所需的時(shí)間，所以這種類(lèi)型的ADC轉(zhuǎn)換速度較慢，每秒鐘能夠完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)在20次以下。

1.3 逐次反饋比較型ADC

在逐次反饋比較型ADC中，用逐次逼近寄存器SAR逐次賦值，其輸出經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后與VIN相比較，SAR順序置為1000…00B、dn-1100…00B、dn-1dn-2 10…00B，直到最后生成dn-1dn-2..d1d0，即A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。其中di 根據(jù)比較結(jié)果而定，若：VDAC>VIN，di=0；否則di=1。

特點(diǎn)：（1）SAR型ADC的轉(zhuǎn)換速率最高可超過(guò)5 Msps，分辨率為8位至18位，較好地兼顧了速度和分辨率。在對(duì)速度和分辨率均有要求的應(yīng)用場(chǎng)合，目前仍然選擇SAR ADC。（2）SAR型ADC前面需增加采樣保持器（SH），雖然有些ADC將SH集成在一個(gè)芯片上，但是SH電路將引入額外的捕捉時(shí)間和孔徑時(shí)間等開(kāi)銷(xiāo)。

2 結(jié)語(yǔ)

利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)制造的儀器儀表已經(jīng)遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)，深入到人民生活的各個(gè)角落，但實(shí)現(xiàn)高速或高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。目前普遍存在的模數(shù)轉(zhuǎn)換還是不能滿足日益增長(zhǎng)的應(yīng)用需求，未來(lái)模數(shù)轉(zhuǎn)換主要向高速（1 GHz以上）、高精度（24 bit）和速度與精度的折衷型等方向發(fā)展。

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